孪晶取向对Au纳米线变形机制影响的模拟

本文采用分子动力学方法,阐明了Au纳米线各力学特性参数随孪晶取向角度的变化规律,以及不同变形机制发生的孪晶取向角度范围。结果表明:在较小孪晶取向角度下(0°<θ<90°),纳米线具有较高的强度,不全位错与孪晶面相互作用引起的应变局域化主导了其塑性变形;在中等孪晶取向角度下(18°≤θ≤75°),退孪生主导了Au纳米线塑性变形,尤其是30°≤θ≤60°时,完全退孪生引发的应变硬化,使得纳米线具有较高塑性;在较大孪晶取向角度下(75°<θ≤90°),纳米线具有较高的强度,但塑性较差,不全位错连续穿越孪晶界引起的位错链主导了Au纳米线塑性变形。

Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金A-D变体对的纳米孪晶间的取向关系

通过透射电镜观察了Ni_(54)Mn_(25)Ga_(21)磁性形状记忆合金中A-D马氏体变体对的晶体学特征。结果表明:微米级的单个马氏体变体由纳米级的粗、细两种片层组成,这两种片层呈(1 1 2)复合型孪晶关系。变体对之间任意两片层的取向关系随着细片层所占变体的体积分数变化而改变,粗-粗(或细-细)片层对的取向关系接近于相同,粗-细片层对的取向关系接近于(1 1 2)孪晶关系。此外,沿着片层的<11 0>方向观察,变体间界面位于竖立位置,界面弯曲。界面处片层之间存在一定交叉,交叉的区域在10 nm以内。

电解沉积过程中电流密度对纳米孪晶Cu微观组织的影响

以电解沉积纳米孪晶Cu为对象,研究电流密度对其微观组织的影响。结果表明,电解沉积过程中,纳米孪晶Cu表面为等轴晶粒,截面为柱状晶粒。随着电流密度的增加,晶粒尺寸减小。

未来汽车传动系统用梯度纳米孪晶Cu的微观变形机制分析

研究了未来汽车传动系统用梯度纳米孪晶Cu的微观变形机制。结果表明,不全位错与全位错机制的相互协调作用使得梯度纳米孪晶Cu具有独特的塑性变形特点,其中较细孪晶片层的存在对提高材料的强度有着非常重要的影响。

纳米晶Cu薄带的单辊法制备及结构分析

采用单辊法制备出纳米晶Cu薄带，利用X射线衍射对纳米晶Cu薄带的结构进行分析，并研究了工艺参数对结构的影响。实验发现：纳米晶Cu薄带的平均晶粒度为65．17-121．8nm，辊轮转速越快，喷铸压力越小，保护气压越大，保护气体越冷，薄带的晶粒尺寸越小；纳米晶内部均存在晶格畸变和晶胞参数的涨落，说明采用单辊法制备纯金属薄带会在材料内部产生不同程度的晶格扭曲，Cu带处于非稳定状态；所有样品均发生（200）晶面择优取向，原因可能与单辊法的快淬工艺有关。

纳米孪晶铜力学性能和尺度效应的研究

采用基于机制的应变梯度塑性的传统理论(CMSG),对具有不同尺寸的铜纳米晶粒及孪晶的应力-应变关系进行了有限元模拟.在分析中提出了孪晶薄层强化带的概念并用粘聚力模型模拟晶界的滑移和分离现象,给出了在单向拉伸条件下不同厚度孪晶薄层和不同材料参数对孪晶铜总体应力-应变关系的影响,同时也给出了晶粒中孪晶薄层取向分布对孪晶铜应力-应变关系的影响.数值模拟结果显示:随着晶粒尺寸和孪晶薄层间距的减小,应变梯度效应逐渐增强,材料强化效果越明显;孪晶薄层的取向分布对材料整体的力学性能有较大影响,并且随着晶粒及孪晶薄层间距的减小,孪晶薄层取向的影响也越来越小.最后,有限元计算结果与实验数据进行了对比分析.

聚二硫二丙烷磺酸钠对电沉积纳米孪晶铜的影响

以聚二硫二丙烷磺酸钠(SPS)、明胶蛋白胨(GP)、氯离子为添加剂采用直流电镀制备了高度(220)择优取向的纳米孪晶铜,并探究了其形核机理。结果表明,加入SPS会使镀层由(111)和(220)取向转变为具有(220)择优取向的纳米孪晶铜,并且SPS浓度会强烈影响镀层的过渡层厚度。SPS和GP在铜表面竞争性吸附,使镀层的内应力比单一添加剂时更高,镀层通过形成(220)择优取向孪晶铜释放内应力。纳米孪晶铜的形核和生长受到电流密度和添加剂的共同影响,在合适的过电位下镀层才能通过形成孪晶来释放应变能。在20 mg/L SPS、4 A/dm^(2)条件下,孪晶结构最完整,过渡层最薄。

(111)取向纳米孪晶Cu的抗氧化性能及焊料润湿性

在先进封装产业中,(111)取向纳米孪晶Cu ((111)nt-Cu)与一般随机取向多晶组织Cu (C-Cu)相比具有多种优势,包括高强度、出色的延伸率和良好的导电性。近年来,3D封装以及器件小型化的趋势对先进封装中电镀Cu材料理化性能提出了更加严苛的要求,C-Cu直接暴露在空气中容易氧化是先进封装制程中亟待解决的问题,(111)nt-Cu成为代替C-Cu的潜在方案。本工作从Cu基体的氧化层厚度和焊料在Cu基体上的润湿性2个方面,对电镀(111)nt-Cu和C-Cu的抗氧化性能进行了深入分析研究。运用TEM、XPS表征方法,对氧化层成分与厚度进行了测量;采用EBSD和FIB等手段对Cu基体表面的晶界以及晶粒尺寸进行了测量和分析;使用SEM对2种Cu基体/氧化层界面形貌进行了精细表征。结果表明,在250℃空气气氛下,(111)nt-Cu具有比C-Cu更好的抗氧化性能。氧化时间为9 min时,(111)nt-Cu氧化层厚度仅为C-Cu氧化层厚度的43.2%。氧化12 min后,(111)nt-Cu与纯Sn反应制作的焊点的接触角比C-Cu的小26.7%,且焊料铺展面积比C-Cu的大24.6%。2种Cu基体上都生成了含有纳米晶CuO和Cu2O两相混合结构氧化层。(111)nt-Cu具有更好的抗氧化性能,原因是(111)晶面和内部的孪晶界具有更低的表面能,并且其基体表面有更小的大角度晶界面积分数,有效地限制了Cu原子向外的扩散速率。

亚微米晶铜中孪晶对位错储存能力的影响

利用电解沉积技术制备出系列亚微米晶纯铜样品,并在样品中引入不同密度的纳米孪晶．室温轧制具有不同孪晶密度的纯铜样品,使样品中储存大量位错．结果表明,具有高密度纳米孪晶结构的纯铜样品,40%轧制变形可使其屈服强度从690 MPa增加到850 MPa；而无孪晶的亚微米铜样品的屈服强度在同样轧制变形条件下只从230 MPa增加到330 MPa．这表明具有高密度纳米孪晶结构的纯铜样品具有很高的位错储存能力．

纳米银枝晶的电沉积及结构表征

采用恒电位电沉积法,选择十二烷基磺酸钠(SDS)为表面活性剂,在Ti基体上制备了具有树枝状结构的纳米银。X-射线衍射试验表明银纳米枝状体为单晶结构,属于面心立方晶系。运用扫描电镜对枝晶的形貌特征进行观察分析,通过高分辨透射电子显微术对枝晶的晶格结构进行表征,发现枝晶表面由{111}晶面组成,主干和分支互成60°分别沿<110>方向生长,枝晶的{111}晶面形成多次孪晶结构。树枝状晶体形态的产生符合分形生长机理。

低碳铁素体钢中纳米富Cu相由9R向fcc结构的转变

低碳铁素体钢样品经880℃加热0.5 h水淬,660℃调质处理10 h,然后在400℃等温时效11000 h后,利用高分辨透射电镜(HRTEM)和能谱仪(EDS),分析低碳铁素体钢中析出的纳米富Cu相不同晶体结构的特征及联系。观察到长轴约9.5 nm,短轴约6.6 nm的短棒状9R结构的纳米富Cu相,并且均为单斜9R以及呈互为孪晶结构,说明Cu早期析出时优先转变成具有互为孪生关系的单斜9R结构,同时还观察到孪生结构的fcc结构的Cu,以及具有莫尔条纹的非孪晶fcc结构的Cu。表明9R结构除了退孪晶化转变成非孪晶fcc结构外,还可以直接转变成具有孪生关系的fcc结构的纳米富Cu相。

添加剂浓度对直流电解沉积纳米孪晶Cu微观结构的影响

采用直流电解沉积技术制备出具有高密度择优取向的纳米孪晶结构块体纯Cu样品.利用XRD,SEM和TEM等手段研究了添加剂浓度对其微观结构的影响.结果表明,样品由沿沉积方向生长的微米尺寸柱状晶粒构成,晶粒内含有高密度孪晶界,且大部分孪晶界平行于生长表面.添加剂(明胶)浓度对纳米孪晶Cu的孪晶片层厚度有明显影响,但对晶粒尺寸影响不大.无添加剂时,纯Cu样品中存在微米量级宽大孪晶片层,当添加剂浓度从0.5 mg/L增加到5 mg/L,孪晶片层厚度从150 nm减小至30 nm,且孪晶界生长更完整.其原因是随着添加剂浓度增加,阴极过电位增大,孪晶界形核率增加,从而使孪晶片层厚度减小.

电流密度对直流电解沉积纳米孪晶Cu微观结构的影响

采用直流电解沉积技术,制备出具有高密度择优取向的纳米孪晶结构块体Cu样品.样品由微米级柱状晶粒构成,晶粒内有高密度的平行于生长基面的共格孪晶界面.研究发现,电流密度对于纳米孪晶Cu的晶粒尺寸有明显影响,但对其织构和孪晶片层厚度影响不大.当电流密度从10 mA/cm^2增加到30 mA/cm^2,纳米孪晶Cu的平均晶粒尺寸从10.1μm减小到4.2um,孪晶片层厚度为30-50 nm.其原因是随电流密度的增加,阴极的过电位增大,从而使晶粒细化.

纳米孪晶Cu中局部剪切应变诱导的退孪生行为

对择优取向纳米孪晶结构Cu样品进行室温轧制变形.微观结构研究发现,当变形压下量为15%时,样品中出现了与轧制方向呈30o^45°方向(最大剪切应力方向)分布的退孪生带.退孪生带中孪晶片层明显粗化,孪晶界上出现大量Shockley位错.塑性变形过程中较小应变时,纳米孪晶Cu中局部退孪生机制是协调局部剪切应变的主要机制.

电解液温度对直流电解沉积纳米孪晶Cu微观结构的影响

通过控制直流电解沉积电解液温度制备出不同微观结构的块体纳米孪晶Cu样品。结果表明,当电解液温度由313 K降低至293 K,纳米孪晶Cu的平均晶粒尺寸由27.6 mm减小至2.8 mm,平均孪晶片层厚度由111 nm减小至28 nm。电化学测试表明,降低温度减缓了纳米孪晶Cu沉积的电化学过程,使阴极过电位增大,引起晶粒和孪晶的形核率增加,从而使晶粒尺寸和孪晶片层厚度同时减小。

组元占比对层状纳米孪晶Cu力学行为的影响

利用直流电解沉积制备了表层为硬组元、芯部为软组元的3种层状纳米孪晶(LNT)Cu样品,其中软组元占比分别为10%、50%和90%。研究发现:随软组元占比增加,拉伸屈服强度由425 MPa下降至262 MPa,均匀延伸率由5.7%增加至17%。3种LNT Cu的屈服强度均高于利用混合法则计算的平均强度,即表现出明显的额外强化。当组元占比为50%时,LNT Cu在变形过程中的应变局域化被很好地抑制,组元间应变差较小且相互约束作用强,额外强化效应最明显。

共轭和临界双滑移取向Cu单晶体疲劳位错结构的热稳定性研究

在不同塑性应变幅下对[2ˉ23]共轭双滑移和[017]临界双滑移取向Cu单晶体进行疲劳实验直至循环饱和,然后在不同温度下进行退火处理,考察了其位错结构的热稳定性.结果表明,300℃退火处理后,位错结构发生了明显的回复;500和800℃退火处理后,均发生了明显的再结晶现象,并伴随退火孪晶的形成.不同取向Cu单晶体循环变形后形成不同的位错结构,其热稳定性由高到低依次为:脉络结构、驻留滑移带(PSB)结构、迷宫或胞结构.不同取向疲劳变形Cu单晶体中形成的退火孪晶均沿着疲劳后开动的滑移面方向发展,疲劳后的滑移变形程度越高,退火后形成的孪晶数量则越多.但过高的退火温度(如800℃)会加快再结晶晶界的迁移速率,进而抑制孪晶的形成,致使孪晶数量有所减少.

低合金铁素体钢中纳米富Cu相复杂晶体结构的表征

低合金铁素体钢样品经880℃加热0.5 h后水淬,再在660℃调质处理10 h,最后在400℃进行等温时效处理11000 h后,利用高分辨透射电镜（HRTEM）和能谱仪（EDS）分析低合金铁素体钢中析出的纳米富Cu相的复杂晶体结构。观察到长轴约13.3 nm,短轴约8.9 nm的具有典型鱼骨状条纹特征的两单斜9R结构,且互为孪生关系,密排面（009）与孪晶界（114）的夹角约为62.7°,同时9R孪晶结构内部存在严重的晶格扭曲和大量的层错,且有向9R多重孪晶结构转变的趋势,说明单斜9R孪晶结构是一种不稳定的过渡相;还观察到另一个单斜9R孪晶结构的纳米富Cu相中,局部区域存在非孪晶的单斜9R结构,这可能是由9R孪晶结构内部严重的晶格扭曲和大量的层错产生较高能量导致。说明纳米富Cu相在不同晶体结构演化过程中的复杂性。

低碳低合金钢中纳米富Cu相的析出特征

低碳低合金钢样品经880℃加热0.5 h后水淬,再进行660℃保温10 h的调质处理,最后分别在370℃和400℃等温时效3000 h和2000 h后,利用高分辨透射电镜（HRTEM）、能谱仪（EDS）以及三维原子探针（3DAP）相结合的方法,分析低碳低合金钢中析出的纳米富Cu相的晶体结构和Cu、Mn、Ni原子分布特征。在HRTEM图像中观察到长轴约9.3 nm,短轴约6.1 nm的短棒状纳米富Cu相,其结构为正交9R结构且互为孪生关系,其中9R结构与α-Fe基体存在一定位向关系,即：（011）_（bcc）//（114）_（9R）,[111]_（bcc）//[110]_（9R）。说明Cu早期析出时可能由bcc结构优先转变孪晶正交9R结构,而不是直接转变为fcc结构。利用3DAP技术可以看出,在富Cu原子团簇形核长大过程中,Mn、Ni原子会偏聚在Cu与α-Fe基体的界面处,造成这种现象,除了富Cu原子团簇在富Ni、富Mn区域形核且在长大过程不断向外排挤Mn、Ni原子外,Cu与α-Fe基体界面存在较高的共格畸变能也会造成Mn、Ni原子的偏聚,进而阻碍富Cu原子团簇的长大。

Dislocation characterization in fatigued Cu with nanoscale twins

Previous studies have shown that strain-controlled cyclic stability was maintained in bulk Cu samples with highly oriented nanoscale twins. In order to explore the underlying fatigue mechanism, transmission electron microscopy observations under two-beam diffraction condition were utilized to characterize the dislocation configurations in the twin/matrix layers of as-fatigued nanotwinned Cu. It was clarified that the threading dislocations with Burgers vector parallel to twin boundaries are mainly active during fatigue. A three-dimensional stereo projection was re-configured for demonstrating the special structure of dislocations in nanoscale twins.